浅长型表面裂纹问题的理论与试验研究
  • 【摘要】

    摘 要 本文对浅长型表面裂纹这一工程结构中常见裂纹形态的断裂参量计算方法以及疲劳裂纹扩展规律作了探讨.由于表面裂纹问题的复杂性,在这一领域中,一种适宜在个人计算机上运算的表面裂纹弹性和弹塑性断裂参量的经济有效的计算方法还有待于开发;双向应力场中斜表面裂纹扩展驱动力的变化规律尚未见诸报导;双轴载荷作用下表面裂纹的疲劳扩展规律的试验研究才刚刚开始.因此,本研究从开发数值计算方法,建立理论分析模型,... 展开>>摘 要 本文对浅长型表面裂纹这一工程结构中常见裂纹形态的断裂参量计算方法以及疲劳裂纹扩展规律作了探讨.由于表面裂纹问题的复杂性,在这一领域中,一种适宜在个人计算机上运算的表面裂纹弹性和弹塑性断裂参量的经济有效的计算方法还有待于开发;双向应力场中斜表面裂纹扩展驱动力的变化规律尚未见诸报导;双轴载荷作用下表面裂纹的疲劳扩展规律的试验研究才刚刚开始.因此,本研究从开发数值计算方法,建立理论分析模型,进行疲劳试验研究三个方面展开对表面裂纹问题的探讨.所做的主要工作和得出的主要结论包括: 1.开发了一种计算表面裂纹断裂参量的方法-线弹簧边界元法.算例表明,该方法适于求解含有浅长型表面裂纹的板在拉伸、弯曲、切向拉力等载荷作用下的断裂参量.该方法可以用于分析裂纹的几何参数、加载条件对断裂参量的影响;也可以用于分析表面裂纹的干涉行为,计算表面裂纹的弹塑性J积分;更重要的是该方法把三维表面裂纹问题转化为拟一维问题,因而用小容量的个人计算机就可以有效地分析含表面裂纹的板在复杂的边界条件下断裂参量的计算问题. 2.对线弹簧模型作了合理的简化,并在此基础上提出了双向应力场中斜表面裂纹的简化分析模型,导出了在表面裂纹的最深点处I型和III型应力强度因子的封闭形式解.定义了只与双向应力比和裂纹倾斜角的大小有关的I型和III型归一化应力强度因子,定量地阐明了在不同的双向应力比和裂纹倾斜角情况下I型和III型归一化应力强度因子的变化规律.当双向应力比一定时,随着裂纹倾斜角的增大,I型归一化应力强度因子减小,III型归一化应力强度因子增大;而当裂纹倾斜角一定时,则随着双向应力比的增大,I型归一化应力强度因子增大,III型归一化应力强度因子减小;当裂纹倾斜角等于零度或者双向应力比等于1时,I型归一化应力强度因子等于L,III型归一化应力强度因子等于零. 3.在双轴载荷比分别等于0,0.5和1以及裂纹倾斜角分别等于0°,30°、45°的条件下,对含表面裂纹的16MNR板材试件进行了疲劳试验,探讨了疲劳断口的形貌和裂纹扩展速率的变化规律.作者认为:I型和III型裂纹扩展驱动力的共同作用是非等值双轴载荷作用下的斜表面裂纹疲劳断口呈空间不连续曲面的主要原因.I型扩展驱动力越小,III型扩展驱动力越大,疲劳扩展面的不连续程度就越严重,裂纹扩展得也就越慢,反之亦然.因而可以用上述的双向应力场中不同裂纹倾斜角下的裂纹扩展驱动力的变化规律来预测相应条件下的表面裂纹疲劳断口形貌和裂纹扩展速率的变化规律.试验所得的结果证实了以上的推断. 4.用裂纹投影法来处理斜表面裂纹的疲劳扩展问题.用PARIS公式来描述表面裂纹的扩展速率.考虑到III型驱动力对裂纹扩展速率的影响,对PARIS公式作了修正.按不同的裂纹倾斜角和双轴载荷比分组整理了试验数据,并作了回归分析.经过假设检验,可以有95%的把握认为:对于一定的双轴载荷比,在不同裂纹倾斜角情况下,在裂纹的深度方向(短半轴端点处)各母体的PARIS指数没有显著差异、各母体的PARIS系数也没有显著差异.在裂纹的长度方向(长半轴端点处)也得到同样的结论. 5.理论分析和试验结果均表明,当裂纹倾斜角不等于零度时,把从试验得到的单轴载荷作用下斜表面裂纹的疲劳寿命套用于承受双轴拉伸载荷的含斜表面裂纹的工程构件的疲劳寿命预测,将得出错误的偏于不安全的结论.因而正确地估计裂纹扩展驱动力的影响是十分重要的. 关键词:表面裂纹、斜裂纹、疲劳扩展、疲劳试验、线弹簧模型、边界元 法、应力强度因子、J积分、双轴加载、双向应力状态、倾斜 角、干涉行为、PARIS方程、疲劳寿命、裂纹驱动力. 收起<<

  • 【作者】

    曾昭景 

  • 【学科专业】

    化工过程机械

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    南京化工学院

  • 【导师姓名】

    戴树和

  • 【学位年度】

    1990

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    断裂力学%表面裂纹%疲劳扩展%线弹簧模型